Почему нельзя сразу 15 об/мин: разгон и торможение вручную

Окно в курятнике я открывал шаговиком: рама на тросе, трос на валу 28BYJ-48, между платой и мотором — привычная связка с ULN2003. Скетч был короткий: поднять раму поворотом вала на девяносто градусов и оставить до вечера. Скорость я выставил 15 оборотов в минуту — потолок, который мы вымеряли в уроке про скорость и позиционирование: с пустым блоком мотор его держал. На столе всё выглядело прилично, а на раме, натянутой под собственным весом, каждый старт начинался со щелчка — редуктор перескакивал зуб через зуб, и рама вздрагивала так, что птицы шарахались по клетке.

Диагноз лежал в первой строке скетча. Пятнадцать оборотов в минуту на 2048 шагах — это 512 шагов в секунду, один шаг каждые 1,95 миллисекунды, и именно на эти полторы-две миллисекунды приходятся самые тяжёлые мгновения всего хода: обмотке надо нарастить ток, шестерням редуктора — стронуться с места, тросу — выбрать слабину. На пятом шаге всё это уже позади, а на первом — нет. Библиотека Stepper.h разгона не умеет вовсе: setSpeed означает едь с первого такта, промежуточных скоростей у неё нет.

Здесь соберём разгон руками: посчитаем, что происходит в первые полсотни шагов, напишем свою подачу фаз с плавной сменой интервала и зеркальным торможением к цели, а в симуляторе потрогаем ручку скорости и кнопки старта. В следующем уроке отдадим эту работу библиотеке AccelStepper — и честно сравним, что она делает лучше самоделки, а что нет.

На старте против мотора работают три вещи сразу. Первая — статическое трение: сдвинуть покоящийся редуктор 1:64 с пластиковыми шестернями труднее, чем потом крутить, и это видно прямо на анатомии мотора, где шестерни посажены плотно, без компенсаторов. Вторая — инерция: ротор и весь стек шестерён нужно разогнать с нуля, а через редуктор масса нагрузки отражается на мотор в квадрате передаточного числа. Третья — индуктивность обмотки: ток не прыгает до рабочих 90-100 миллиампер мгновенно, магнитному полю нужно время нарастить.

Сложим с темпом. При 15 об/мин импульсы идут каждые 1,95 мс — быстрее, чем полю и механике нужно на первые шаги. Ротор отстаёт от поля всё сильнее и в какой-то момент перестаёт догонять вовсе: мотор гудит и дрожит, а вал стоит. Это срыв шагов, и у него коварная черта, которую мы разбирали в уроке про срыв и момент: программа честно отсчитывает шаги, счётчик позиции идёт, а вал про эти шаги не знает. Позиция с этого момента врёт молча — ни флага, ни сообщения в Serial.

Рецепт стар как форумы: паузу между импульсами резать от шага к шагу. Стартуем с тихого темпа, где каждая обмотка успевает, — и плавно подходим к рабочему. Торможение — тот же разгон, прочитанный справа налево: интервал растёт обратно, и вал доезжает до цели без удара об упор. Всё вместе называется профилем скорости, рисуется он трапецией: подъём, плато, спуск.

Разгон живёт в интервале между шагами, и мерить его честнее в микросекундах. Стартовый интервал — 5900 мкс, это те же спокойные 5 об/мин: шаг каждые 5,85 миллисекунды, темп, при котором в стартовые мгновения ничего не щёлкает. Потолок — 2200 мкс, около 13,3 об/мин: до лотерейных пятнадцати остаётся запас. Дельта — два процента текущего интервала за шаг: с 5,9 до 2,2 миллисекунды такой разгон доезжает за полсотни шагов, это треть секунды.

Почему микросекунды, а не delay(). Аргумент delay() целочисленный: интервал 2,2 миллисекунды через него не задать — дробь уйдёт в пол, и мотор будет шагать то через 2, то через 3 мс, промах до трети интервала на самом быстром участке. delayMicroseconds(2200) точен до нескольких микросекунд. А millis-таймер хорош для медленных темпов — мы так кормили слайдер, — но при интервалах короче десяти миллисекунд в дело вступает собственная задержка внутри step(), поэтому здесь честнее водить фазы самим, без библиотеки.

Тормозной путь равен разгонному: если разгон занял полсотни шагов, начинать тормозить нужно за те же полсотни до цели. С потолком 2,2 мс это сотня миллисекунд торможения — глазу кажется мгновением, а механике хватает: удар об упор исчезает, шестерни перестают щёлкать. Для коротких ходов, где полсотни шагов не набирается, профиль складывается в треугольник — половина пути разгон, половина торможение.

В скетче три места, которые проговорим. Первое — таблица фаз: четыре строки по четыре бита, каждая строка — положение обмоток в полном шаге, две катушки из четырёх под током. Порядок пинов тот же, к которому мы приучили Stepper.h: 8, 10, 9, 11. Светодиоды на плате ULN2003 бегут парами — если побежали не парами, таблица побита, и вал будет дёргаться на месте с гулом.

Второе — линейка разгона. Я записал её линейной интерполяцией: на шаге номер k из пятидесяти интервал равен стартовому минус соответствующая доля разницы. Классический вариант с процентной дельтой — iv = iv - iv / 50 — работает так же, но линейку проще читать и править: захотите растянуть разгон на сотню шагов — меняете одну константу. Треугольный ход считается той же функцией: nRamp просто прижимается к половине маршрута.

Третье — финал хода: после последнего шага все четыре пина падают в ноль, и ток с 240 мА удержания спадает почти до нуля. Окну держаться ничем не нужно — трос и редуктор держат раму сами. Подробно о цене удержания мы говорили в уроке про отключение катушек; здесь приём встроен прямо в конец turnRamp.

Симулятор двигателя в книге умеет Stepper.h — setSpeed и блокирующий step() на циферблате, — а delayMicroseconds и собственные фазы он не показывает, говорю честно заранее. Поэтому модель разгона собрана на millis-таймере, как в слайдерном уроке: мотор всегда готов на потолке подачи, а реальный темп держит таймер, интервал которого ползёт от 40 миллисекунд к целевому. Разгон здесь виден по печати iv=, а не по стрелке циферблата.

Ручка A0 задаёт потолок, кнопка D2 — старт и пауза, тумблер D3 — направление. Каждое нажатие старта возвращает интервал на 40 мс: мотор начинает с тихого хода даже при ручке на упоре — так же ведёт себя и настоящий скетч выше. Смотрите на пары iv= и tgt=: разница между ними тает шаг за шагом — это и есть трамплин.

Попробуйте два старта подряд: один с ручкой в нуле, второй на потолке. В обоих случаях первые шаги идут с одного и того же интервала — меняется только цель разгона. Именно так выглядит плавная смена интервала из заголовка урока: без магии, арифметика на одну строку внутри loop().